Thermal Nanoquakes: Terahertz Frequency Surface Rayleigh Waves in Diamond Nanocrystals
परमाणु स्तर के सिमुलेशन और न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी को संयोजित करके, यह अध्ययन प्रकट करता है कि तापीय रूप से प्रेरित रेले सतह फोन (Rayleigh surface phonons), जो स्थलीय भूकंपों की तुलना में अत्यधिक विस्थापन वाले "थर्मल नैनोक्वेक" (thermal nanoquakes) उत्पन्न करते हैं, डायमंड नैनोक्रिस्टल में निम्न-ऊर्जा कंपन घनत्व अवस्थाओं के रैखिक स्केलिंग के लिए जिम्मेदार हैं, जिससे उनकी कंपन गतिशीलता के लिए एक व्यापक ढांचा स्थापित होता है।
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हम जो कुछ भी छूते हैं, उस हवा से लेकर जिसे हम सांस लेते हैं, और उस जमीन से लेकर जिस पर हमारे पैर टिके हैं, वह सब उन परमाणुओं से बना है जो कभी वास्तव में स्थिर नहीं होते। एक ठोस सामग्री के ब्लॉक में भी, ये सूक्ष्म निर्माण खंड लगातार कंपन करते हैं, अपनी जगह पर इस तरह हिलते-डुलते हैं जैसे लोगों की एक भीड़ अपना वजन बदल रही हो। बड़े, ठोस पिंडों में, ये कंपन सामग्री के माध्यम से अनुमानित तरंगों के रूप में यात्रा करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक कमरे में ध्वनि चलती है। हालाँकि, जब वैज्ञानिक सामग्री के एक टुकड़े को धूल के कण के आकार तक छोटा कर देते हैं, जिसे नैनोक्रिस्टल कहा जाता है, तो नियम बदल जाते हैं। वस्तु की सतह उतनी ही महत्वपूर्ण हो जाती है जितनी कि उसका आंतरिक भाग, और कंपन ऐसे तरीकों से व्यवहार करते हैं जिन्हें समझना कठिन होता है। इन सूक्ष्म गतिविधियों को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि वे यह निर्धारित करते हैं कि सामग्रियां ऊष्मा (हीट) कैसे स्थानांतरित करती हैं, सेंसर कैसे काम करते हैं, और भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर कैसे बनाए जा सकते हैं। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों को पता था कि इन सूक्ष्म कणों की सतह एक विशेष भूमिका निभाती है, लेकिन उनके पास स्पष्ट तस्वीर नहीं थी कि वहां वास्तव में किस प्रकार के कंपन हो रहे थे या वे क्यों महत्वपूर्ण थे।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब नैनोडायमंड्स (nanodiamonds) का अवलोकन करके इस लापता तस्वीर को पूरा कर दिया है, जो केवल कुछ अरबवें मीटर के आकार के हीरे के सूक्ष्म कण हैं। शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन और न्यूट्रॉन बीमों का उपयोग करने वाले वास्तविक दुनिया के प्रयोगों को जोड़कर, उन्होंने खोजा कि इन कणों की सतह निरंतर हिंसक, भूकंप जैसी थरथराहट से गुजर रही है। ये बड़े भूकंप के दौरान जमीन को हिला देने वाली धीमी, लुढ़कने वाली लहरें नहीं हैं, बल्कि अत्यंत तीव्र, उच्च-आवृत्ति वाली लहरें (ripples) हैं जो कण की सतह पर दौड़ती हैं। शोधकर्ता इन्हें "थर्मल नैनोक्वेक्स" (thermal nanoquakes) कहते हैं। उन्होंने पाया कि ये सतह की तरंगें इतनी तीव्र हैं कि कण के आकार के सापेक्ष, यह थरथराहट पृथ्वी पर दर्ज किए गए सबसे बड़े भूकंपों की तुलना में कहीं अधिक नाटकीय है। यह खोज इस रहस्य को सुलझाती है कि क्यों इन सूक्ष्म क्रिस्टल में कंपनों की ऊर्जा एक वक्र पैटर्न (curved pattern) के बजाय एक सीधी रेखा में बढ़ती है, जैसा कि बड़ी सामग्रियों में देखा जाता है।
इस रहस्य को उजागर करने के लिए, वैज्ञानिकों ने पहले कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया ताकि वे एक एकल नैनोडायमंड में परमाणुओं की गति को देख सकें। उन्होंने हीरे के एक आदर्श गोले और एक अन्य संस्करण का अनुकरण किया जिसमें थोड़ा अव्यवस्थित बाहरी परत थी, यह देखने के लिए कि कंपन कैसे बदलते हैं। सिमुलेशन ने गति के एक विशिष्ट पैटर्न को प्रकट किया जो केवल सतह पर दिखाई देता था। जबकि कण के केंद्र के परमाणु हीरे के एक बड़े, ठोस ब्लॉक के व्यवहार से मेल खाते हुए कंपन कर रहे थे, बाहरी परमाणु अलग तरह से हिले। उन्होंने ऐसी तरंगें बनाईं जो सतह के साथ यात्रा करती थीं, और कण में गहराई तक जाने पर तेजी से फीकी पड़ जाती थीं। ये तरंगें, जिन्हें रेले तरंगें (Rayleigh waves) कहा जाता है, भूकंप के दौरान सबसे अधिक नुकसान पहुँचाने वाली भूकंपीय तरंगों के समान हैं, लेकिन यहाँ ये इतने छोटे पैमाने पर हो रही हैं कि ये खरबों गुना तेजी से घटित होती हैं। कंप्यूटर मॉडल ने दिखाया कि ये तरंगें कम-ऊर्जा वाले कंपनों की संख्या में एक विशिष्ट, सीधी-रेखा वृद्धि के लिए जिम्मेदार हैं, जो एक ऐसी विशेषता है जिसे वर्षों से प्रयोगों में देखा गया था लेकिन कभी पूरी तरह से समझाया नहीं गया था।
यह साबित करने के लिए कि ये कंप्यूटर मॉडल वास्तविकता को दर्शाते हैं, शोधकर्ताओं ने न्यूट्रॉन बीमों के साथ प्रयोग करने के लिए 'ऑस्ट्रेलियाई न्यूक्लियर साइंस एंड टेक्नोलॉजी ऑर्गनाइजेशन' का रुख किया। उन्होंने दो नमूने लिए: एक जो नैनोडायमंड्स से बना था और दूसरा जो बड़े, सूक्ष्म हीरों से बना था। इन नमूनों पर न्यूट्रॉन दागकर, वे माप सकते थे कि उनके भीतर परमाणु कैसे कंपन कर रहे हैं। वास्तविक दुनिया के नमूनों से प्राप्त परिणाम कंप्यूटर की भविष्यवाणियों से लगभग पूरी तरह मेल खाते थे। बड़े हीरों ने कंपनों का अपेक्षित वक्र पैटर्न दिखाया, लेकिन छोटे नैनोडायमंड्स ने सीधा-रेखा पैटर्न दिखाया, जिससे सतह की तरंगों की उपस्थिति की पुष्टि हुई। डेटा ने यह भी दिखाया कि सूक्ष्म कणों में कंपन अधिक व्यापक और कोमल (softer) थे, जिससे पता चलता है कि परमाणु अधिक स्वतंत्रता और कम प्रतिबंध के साथ हिल रहे थे। इसने पुष्टि की कि सतह की तरंगें केवल कंप्यूटर कोड की कोई विचित्रता नहीं थीं, बल्कि वास्तविक सामग्री में होने वाली एक वास्तविक भौतिक घटना थीं।
शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि क्या ये तरंगें तब भी मौजूद रह सकती हैं यदि सतह हिलने के लिए स्वतंत्र न हो। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने बाहरी परमाणुओं को एक जगह लॉक कर दिया, जिससे उन्हें हिलने से रोक दिया गया। जब उन्होंने ऐसा किया, तो कंपनों का वह अजीब सीधा-रेखा पैटर्न गायब हो गया, और सामग्री फिर से एक सामान्य, ठोस ब्लॉक की तरह व्यवहार करने लगी। इससे सिद्ध हुआ कि ये तरंगें पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करती हैं कि सतह हिलने के लिए स्वतंत्र हो, ठीक वैसे ही जैसे एक वास्तविक भूकंप को यात्रा करने के लिए जमीन का अनकन्फाइंड (unconfined) होना आवश्यक है। उन्होंने यह भी जांचा कि क्या कण तरल की तरह व्यवहार कर रहे हैं, जो इसी तरह के कंपन पैटर्न दिखा सकते हैं, लेकिन तरल जैसी गति का कोई प्रमाण नहीं मिला। इसके बजाय, व्यवहार ठोस परमाणुओं के एक विशिष्ट, सतह-बद्ध तरीके से हिलने के अनुरूप था। अध्ययन ने यह भी देखा कि कण का आकार इस प्रभाव को कैसे बदलता है। जैसे-जैसे कण छोटे होते गए, सतह की तरंगें अधिक प्रभावी होती गईं, और कण के भीतर परमाणुओं के कंपन कम ऊर्जा की ओर स्थानांतरित हो गए, जो संभवतः सतह द्वारा कोर (core) पर खिंचाव पैदा करने के कारण हुआ।
यह कार्य नैनोडायमंड्स में कंपन कैसे व्यवहार करते हैं, इसका एक पूर्ण मानचित्र प्रदान करता है, जो यह दिखाता है कि वे मानक कंपनों (जो बड़े ठोसों में पाए जाते हैं) और इन अद्वितीय, सतह-बद्ध तरंगों का मिश्रण हैं। इन "थर्मल नैनोक्वेक्स" की खोज यह सुझाव देती है कि नैनोक्रिस्टल की सतह एक अत्यधिक सक्रिय स्थान है, जो ऊर्जा के साथ लगातार हिल रही है, जो यह प्रभावित कर सकती है कि ऊष्मा कैसे स्थानांतरित होती है या कण अपने परिवेश के साथ कैसे अंतःक्रिया करते हैं। इलेक्ट्रॉनिक्स, सेंसर या चिकित्सा उपकरणों के लिए नई सामग्रियां डिजाइन करने वाले वैज्ञानिकों के लिए, इसका अर्थ है कि सतह केवल एक सीमा नहीं है, बल्कि एक गतिशील क्षेत्र है जो सामग्री के गुणों को संचालित करता है। ये निष्कर्ष सूक्ष्म वस्तुओं के कंपन को समझने के लिए एक नया ढांचा प्रदान करते हैं, जो पुराने विचारों से आगे बढ़ते हैं जो उन्हें केवल बड़े ठोसों के छोटे संस्करण के रूप में देखते थे। इन सतह तरंगों की अनूठी भूमिका को पहचानकर, शोधकर्ता भविष्य में नैनोमटेरियल्स के व्यवहार की बेहतर भविष्यवाणी और नियंत्रण कर सकते हैं।
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